0、 引言

物聯網是繼計算機、互聯網之后的第三代信息技術革命,引領著社會發展的潮流。WSN 是物聯網的關鍵的技術,它由部署在監測區域內大量廉價的、低功耗的、具有感知、通信和計算能力的小巧節點組成。WSN 將最終成為聯系物理世界和客觀世界的接口,人們可以通過 WSN 獲取客觀世界的信息并做出判斷。把 WSN 應用于農業中,實時獲取農業生產環境、作物生長狀態等客觀信息,能實現對農業環境的實時監測,采取正確的決策提高農產品質量和產量,能尋找農業生產的各種因素和農產品產量和質量之間的內在聯系并建立模型,為農業生產提供科學精確的指導。

目前,WSN 在農業生產中大多應用于環境監測和智能控制。很多研究成果均根據各自需求,設計不同的軟硬件平臺,提出了多種基于 WSN 的解決方案,實現了對目標環境的信息采集。裴素萍和吳必瑞為了提高農業節水灌溉的效率,以 TI 公司的MSP430F149 低功耗單片機為基礎,結合 CC2520 和CC2591 作為 ZigBee 的無線網絡節點,實現了土壤干濕度信息的采集、存儲和網絡控制。孫彥景等研發了一套基于物聯網關鍵技術的農業信息化系統,描述了該系統的硬件組成和系統結構,詳細介紹了系統的軟件設計以及主要功能模塊的運作流程,實現了農業的智能化和自動化運作。Antonio - Javier Garcia -Sanchez等人實現了對多個分散農田的信息采集,且能實現圖片采集的功能。J. A. López Riquelme等搭建了一個包括土壤節點、環境節點、水分節點和網關節點4 類節點的 WSN 平臺,每類節點都能連接不同類型的傳感器,分別在實驗室和田間進行了實驗驗證。

常超等詳細介紹了無線傳感器網絡節點和網關節點的硬件設計及各類節點內的軟件設計,包括簇網絡建立流程、信息傳輸過程、無線網關信息傳輸流程等。張瑞瑞等描述了傳感器節點的硬件結構及模塊化軟件的設計方法,平臺較多關注數據采集部分,或平臺的軟硬件的設計。

已有的平臺較多關注數據采集部分,或平臺的軟硬件的設計。為此,從較宏觀的角度提出了一種適宜于農業監測和控制的 WSN 應用框架\\(WSNFFA\\) 。為了評估 WSNFFA 的性能,搭建了基于 WSNFFA 的WSN 平臺,用于實現對蘋果園環境進行監測。系統運行結果表明,系統總體運行穩定,滿足蘋果園環境監測的需求。

1、 系統總體框架

1. 1 設計原理

目前,大多 WSN 在農業中主要用于信息監測和控制。通過裝有傳感器的 WSN 節點采集信息,對采集的信息進行分析、組織和傳輸,并最終實現農業生產環境和農業生產者及農業專家的零距離,對采集的數據進行分析決策,并采取正確的措施。底層的信息采集是 WSN 的關鍵部分,采集準確的數據,并將數據可靠快速地傳輸至匯聚節點是 WSN 存在的基礎。然而,如何將采集的數據高效有序地傳輸至上層服務器,如何高效地組織數據架構,如何合理地構建視圖及展示數據是 WSN 平臺的最終目的。本文從一個宏觀的角度提出了一種適宜農業監測和控制的 WSN 應用框架 WSNFFA,從數據流的角度將 WSN 平臺主要劃分為 3 層,即信息的采集及匯聚、信息的傳輸及數據的管理和顯示。同時,WSNFFA 闡述了相鄰兩層之間的接口及通信方法,具體流程如圖 1 所示。

1. 2 信息采集匯聚模塊及與上層接口

信息的采集與匯聚部分主要實現目標信息的采集并將信息傳輸至匯聚節點。該部分也是目前大多相關研究關注的熱點。監測區域由大量的節點組成,節點由微處理器、傳感器、無線通信模塊組成,如圖 2 所示。微控制器通過傳感器采集信息,通過無線通信模塊與其他節點進行通信。

目前,ZigBee 通信技術以其低功耗、自組網、低成本、支持大量的節點而受到眾多研究及應用者的青睞。在人類難以接觸的環境,如戰場、原始森林等,通過飛機拋灑大量的節點到監測區域,節點通過不斷地交換信息更新網絡狀態。然而,農田環境中,人類容易接觸,可以通過手工的部署節點實現對目標準確的監測,降低成本。同時,農田環境的監測大多只需以固定的時間間隔進行信息采集即能滿足監測要求,且農田中節點的查看和電池更換方便。ZigBee網絡由于節點間頻繁的通信會造成不必要的能量浪費,不適宜于農田中的 WSN 應用。

基于 TDMA 的信息傳輸方式,把時間劃分為一個個時隙,節點只能在自己分配的時隙內進行數據的發送。該方法避免了節點間頻繁通訊而浪費能量。同時,在非分配的時間,節點可以進入睡眠狀態以節省能量?；?TDMA 的協議對于節點的時間同步性要求較高,為了使各個節點同步,在所有節點的發送間隙之后設置一個同步間隙。在同步間隙,簇首節點廣播信息,各節點收到信息后進行時間同步,如圖 3 所示。若監測區域較大,把 WSN 節點劃分為若干個簇,每個簇由一個簇頭和若干個采集節點組成,采集節點只于自己的簇頭通信,簇頭之間彼此通信通過多跳把數據發送至匯聚節點。

在匯聚節點把采集的數據正確有序地傳輸至數據接收服務器,是信息監測平臺運行的有力保障。GPRS技術具有數據傳輸速率高、永久在線,能實現遠距離傳輸等優點。WSNFFA 采用 GPRS 網絡實現數據從信息采集的 WSN 網絡與用戶端 Internet 網絡的傳輸。目前,大多 GPRS 模塊已固化了 TCP/IP 協議棧,使用方便。

在數據接收服務器端,WSNFFA 采用 Socket 技術接收 GPRS 發來的數據。已有一些學者針對 Socket 在WSN 監測系統的應用進行了研究。周樂欽等在分析基于 HTTP 協議的 AJAX 輪訊技術的基礎上,提出了一種基于 Web-Socket 協議的推送數據技術在監控系統中的應用研究。王堃等在物聯網平臺的通訊層,利用緩沖池、線程池建立多線程并發連接,提出一種高效 Socket 服務器設計方案,最大限度地減少系統開銷和緩存的使用,增強了服務器的處理能力。

1. 3 數據接收服務器及與上層通訊接口

數據接收服務器是 WSN 和上層數據管理和顯示服務器之間的紐帶,不僅負責接收 WSN 端傳輸來的數據,還需把數據傳輸給上層的數據管理和顯示服務器。WSNFFA 采用 Web Service 實現數據接收服務器和數據管理及顯示服務器之間的數據傳輸。WebService 是一個公共的網際間對象互操作的標準協議。

它具有靈活的擴展性、組織結構的松散耦合、功能強大的交互性及完備的服務功能等特點。

1. 4 數據管理及顯示

數據管理和顯示服務器是 WSN 采集數據的最終目的,它存儲和管理數據并將數據友好地展示給用戶,是與用戶的接口。數據管理和顯示服務器主要負責實時數據的更新和顯示、歷史數據的管理和采集時間間隔的控制等。WSNFFA 采用 B/S 架構,用戶只需通過瀏覽器即可實現對信息的查看及管理。使用XML 存儲數據。XML\\(Extensible Markup Language,可擴展標記語言\\) 是一種簡單易用的面向網絡的可擴展標記語言,具有可擴展性強、靈活性強、可自描述性等特點,已被廣泛應用于 Web 服務等多種應用中。

用戶展示接口是 WSN 應用平臺的最終目的,界面的友好性及用戶的個人體驗決定了 WSN 平臺的成敗。為了提高用戶體驗水平,采用 Javascript 實現頁面不刷新的動態顯示; 為了直觀明了,實現了各種參數的數據曲線走勢圖的實時顯示。

2、 實際系統設計

為了驗證 WSNFFA 框架,設計了用于實現蘋果園環境監測的 WSN 系統平臺,能實現對果園環境溫濕度、土壤溫濕度及光照強度等參數的實時監測。WSN信息采集與匯聚部分的微處理器采用 TI 公司的CC2530。CC2530 內部集成了一個增強型 8051 單片機,含高達 256kB 的閃存,支持 2. 4GHz IEEE 802. 15.4 射頻收發,是片上系統高度集成的芯片解決方案。

網關節點的 GPRS 模塊采用西門子公司生產的MC55I,內嵌了 TCP / IP 協議棧,性能穩定。在通訊過程中,通過短信發送 AT 指令給 MC55I 模塊設置服務信息接收服務器的 IP 地址,設置成功后,便能將采集的數據發送至遠程的數據接收服務器,實現與 Internet的通信鏈路。數據接收服務器的用戶界面如圖 4 所示。

數據接收服務器通過一個定時器控件實現按設置的采集時間間隔發送命令給網關,請求網絡參數或采集的數據。同時啟用一個后臺線程通過 Socket 接收網關節點來的數據。數據接收服務器通過一個定時器控件實現按設置的采集時間間隔發送命令給網關,請求網絡參數或采集的數據,同時啟用一個后臺線程通過 Socket 接收網關節點來的數據。數據接收服務器接收的數據通過 Webservice 傳輸給上層的數據管理及顯示服務器的 XML,數據管理及顯示服務器通過 XML 實時顯示數據。為了提高用戶體驗水平,采用了 Javascript 及 ajax 實現頁面不刷新動態顯示\\(見圖 5\\) ,且能下載指定時間段的歷史數據。

為了直觀明了,設計了實時顯示各種參數每天的走勢圖,如圖 6 所示。

3、 結果和討論

物聯網作為繼計算機、互聯網之后的第三次信息革命,成為國內外關注的熱點問題。WSN 作為物聯網的一種關鍵技術已經越來越多地應用到軍事、智能家居、農業各個領域。農業信息化能推動傳統農業向知識型農業發展、促進農業發展并提高農業經濟效益,在農業發展中具有重要作用。研究分析發現,目前WSN 在農業應用中大多用于信息監控,已有眾多的研究人員針對不同的情況提出了各種 WSN 平臺,各種研究側重點不同。WSN 只能負責采集數據,數據的傳輸管理及各層次之間的接口是構建可靠穩定 WSN 系統的必要和關鍵。同時,友好直觀的用戶界面是 WSN成功應用的最終目的。鑒于此,本文從應用的角度提出了一種適宜農業監測和控制的應用框架 WSNFFA。

為了對該框架進行分析和驗證,基于 WSNFFA 實現了蘋果園環境監測的 WSN 應用平臺。試驗結果表明,系統運行穩定,能滿足蘋果園環境監測的要求。

WSNFFA 仍然存在有待于改善和提高之處。例如,基于 WSNFFA 實現的監測平臺偶有出現數據斷流的現象。研究分析表明,斷流原因多是由于 Socket 失效、不能正確接收數據造成的,需重新啟動數據接收服務器解決問題。因此,進一步優化數據接收服務器,尋找并解決數據斷流的本質原因,實現數據通信的健壯性和可靠性,是下一步需要解決的問題。同時,完善上層的數據管理和顯示服務器,提高用戶體驗水平; 構建高效的數據架構,為農業專家及農戶提供更便利的服務接口,也至關重要。

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